Dans cette illustration du matériau supraconducteur Eu-1144, l’onde bleue et magenta montrée au-dessus du réseau cristallin représente la façon dont le niveau d’énergie des paires d’électrons (sphères jaunes) se module dans l’espace lorsque ces électrons se déplacent dans le cristal. Crédit : Laboratoire national de Brookhaven
La spectroscopie à effet tunnel apporte la preuve la plus claire à ce jour que cet état exotique de la matière supraconductrice existe sans champ magnétique dans un supraconducteur à base de fer.
Des chercheurs ont découvert un autre état supraconducteur, appelé onde de densité de paires (PDW), dans un environnement non magnétique, remettant en cause les connaissances antérieures sur la supraconductivité. Cette découverte d’un supraconducteur à base de fer qui présente également un ferromagnétisme ouvre de nouvelles perspectives pour la recherche sur la supraconductivité et pourrait révolutionner le domaine.
Dans le domaine de la supraconductivité – phénomène dans lequel les électrons peuvent circuler dans un matériau avec une résistance pratiquement nulle – le « Saint-Graal » de la découverte est un supraconducteur capable de fonctionner à des températures et des pressions quotidiennes. Un tel matériau pourrait révolutionner la vie moderne. Mais actuellement, même les supraconducteurs à « haute température » (high-Tc) qui ont été découverts doivent être maintenus à très basse température pour fonctionner, ce qui est trop froid pour la plupart des applications.
Les scientifiques ont encore beaucoup à apprendre avant de pouvoir réaliser la supraconductivité à température ambiante, principalement parce que les supraconducteurs sont des matériaux très complexes dont les états magnétiques et électroniques sont entremêlés et parfois concurrents. Ces différents états, ou phases, peuvent être très difficiles à démêler et à interpréter.
L’un de ces états est un état supraconducteur alternatif de la matière connu sous le nom d’onde de densité de paires (PDW), qui se caractérise par des paires d’électrons couplés qui sont constamment en mouvement. On pensait que les ondes de densité de paires n’apparaissaient que lorsqu’un supraconducteur était placé dans un champ magnétique important, jusqu’à présent.
Membres de l’équipe de recherche du Brookhaven Lab (de gauche à droite) Raymond Blackwell, He Zhao et Kazuhiro Fujita. Crédit : Brookhaven National Laboratory
Récemment, des chercheurs du Brookhaven National Laboratory du ministère américain de l’énergie, de l’université de Columbia et du National Institute of Advanced Industrial Science and Technology du Japon ont observé directement un PDW dans un matériau supraconducteur à base de fer en l’absence de champ magnétique. Ils décrivent leurs résultats dans l’édition en ligne du 28 juin 2023 de la revue Nature.
« Les chercheurs dans notre domaine ont théorisé qu’un PDW pourrait exister par lui-même, mais les preuves ont été au mieux ambiguës », a déclaré Kazuhiro Fujita, physicien à Brookhaven qui a participé à l’étude. « Ce supraconducteur à base de fer est le premier matériau dans lequel les preuves indiquent clairement l’existence d’un champ magnétique nul. C’est un résultat passionnant qui ouvre de nouvelles voies potentielles de recherche et de découverte pour la supraconductivité ».
Le matériau, le pnictide de fer EuRbFe4As4 (Eu-1144), qui présente une structure cristalline en couches, est également remarquable parce qu’il présente naturellement à la fois la supraconductivité et le ferromagnétisme. C’est cette double identité inhabituelle qui a initialement attiré le groupe vers ce matériau et l’a amené à l’étudier.
« Nous voulions savoir si ce magnétisme était lié à la supraconductivité. En général, les supraconducteurs sont déstabilisés par l’ordre magnétique, donc quand la supraconductivité et le magnétisme existent ensemble dans un seul composé, il est intéressant de voir comment les deux coexistent », a déclaré le physicien Abhay Pasupathy, l’un des co-auteurs de l’article, qui est affilié à la fois à Brookhaven et à Columbia. « Il est concevable que les deux phénomènes existent dans des parties différentes du composé et n’aient rien à voir l’un avec l’autre. Mais au contraire, nous avons découvert qu’il existe un lien magnifique entre les deux ».
La supraconductivité modulée dans l’espace a été détectée dès l’apparition du magnétisme.
« Il s’agit d’un résultat passionnant qui ouvre de nouvelles voies potentielles de recherche et de découverte pour la supraconductivité ». – Kazuhiro Fujita, physicien au laboratoire de Brookhaven
Pasupathy et ses collègues ont étudié l’Eu-1144 dans le laboratoire à ultra-basses vibrations de Brookhaven à l’aide d’un microscope à effet tunnel à imagerie spectroscopique (SI-STM) à la pointe de la technologie.
Ce microscope mesure le nombre d’électrons à un endroit spécifique du matériau qui « tunnelise » entre la surface de l’échantillon et la pointe du SI-STM lorsque la tension entre la pointe et la surface varie », a déclaré Fujita. « Ces mesures nous permettent de créer une carte du réseau cristallin de l’échantillon et du nombre d’électrons à différentes énergies à chaque emplacement atomique.
Les chercheurs ont effectué des mesures sur leur échantillon au fur et à mesure que sa température augmentait, en passant par deux points critiques : la température de magnétisme, en dessous de laquelle le matériau présente un ferromagnétisme, et la température de supraconduction, en dessous de laquelle le matériau est capable de transporter du courant avec une résistance nulle.
En dessous de la température supraconductrice critique de l’échantillon, les mesures ont révélé un écart dans le spectre des énergies électroniques. Cette lacune est un marqueur important car sa taille est équivalente à l’énergie nécessaire pour séparer les paires d’électrons qui transportent le courant supraconducteur. Les modulations de l’écart révèlent des variations dans les énergies de liaison des électrons, qui oscillent entre un minimum et un maximum. Ces modulations de l’écart énergétique sont la signature directe d’un PDW.
Cette découverte oriente les chercheurs dans de nouvelles directions, notamment en essayant de reproduire ce phénomène dans d’autres matériaux. D’autres aspects d’un PDW peuvent également être étudiés, comme la détection indirecte du mouvement des paires d’électrons par le biais de signatures qui se manifestent dans d’autres propriétés du matériau.
« Nombre de nos collaborateurs ont montré un grand intérêt pour nos travaux et prévoient déjà différents types d’expériences sur ce matériau, par exemple en utilisant des rayons X et des muons », a déclaré Pasupathy.
Référence : « Smectic pair-density-wave order in EuRbFe4As4 » par He Zhao, Raymond Blackwell, Morgan Thinel, Taketo Handa, Shigeyuki Ishida, Xiaoyang Zhu, Akira Iyo, Hiroshi Eisaki, Abhay N. Pasupathy et Kazuhiro Fujita, 28 juin 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-06103-7
Ce groupe de recherche comprend également He Zhao (Brookhaven Lab), Raymond Blackwell (Brookhaven Lab), Morgan Thinel (Columbia University), Taketo Handa (Columbia University), Shigeyuki Ishida (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Japan), Xiaoyang Zhu (Columbia University), Akira Iyo (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Japan), et Hiroshi Eisaki (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Japan). Ces travaux ont été financés par le DOE Office of Science (BES), la National Science Foundation, l’Air Force Office of Scientific Research et la Japan Society for the Promotion of Science.